一種三d打印快速成型納米碳化硅材料的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種三D打印快速成型納米碳化硅材料的制備方法，其特征在于該方法具有以下步驟：（1）納米碳化硅預(yù)處理：將5%~15%的3-氨基丙基三乙氧基硅烷和85%~95%的納米碳化硅，室溫研磨2~6h，得到預(yù)處理納米碳化硅；（2）快速成型納米碳化硅材料的制備：將60%~75%無水乙醇和20%~35%的預(yù)處理納米碳化硅，在冰浴下，超聲反應(yīng)4-6h，再加入2%~10%的二酚基丙烷縮水甘油醚，攪拌混合均勻，置于50±3℃恒溫、反應(yīng)8~14h，噴霧干燥，得到快速成型納米碳化硅材料。該材料溫度在153~159℃范圍內(nèi)，壓力在1MPa~10MPa的范圍內(nèi)直接成型，具有制備工藝簡單，條件易于控制，生產(chǎn)成本低，易于工業(yè)化生產(chǎn)。
【專利說明】 一種三D打印快速成型納米碳化硅材料的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于三D打印快速成型粉末材料的制備方法，屬于快速成型的材料領(lǐng)域，特別涉及一種三D打印快速成型納米碳化硅材料的制備方法及成型。
【背景技術(shù)】
[0002]碳化硅陶瓷的耐化學(xué)腐蝕性好、強(qiáng)度高、硬度高，耐磨性能好、摩擦系數(shù)小，耐高溫，密度低等優(yōu)點(diǎn)，無論作為結(jié)構(gòu)材料還是功能材料都具有應(yīng)用前景，近年來受到越來越多的關(guān)注。碳化硅陶瓷在石油、化工、微電子、航天、航空、造紙、激光、汽車、礦業(yè)及原子能等工業(yè)領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。目前碳化硅陶瓷的制備方法主要有:粉末壓制燒結(jié)法、溶膠凝膠法和反應(yīng)燒結(jié)法等，采用上述方法制備碳化硅構(gòu)件時(shí)，需先根據(jù)構(gòu)件的形狀制備具有相應(yīng)形狀的模具，若構(gòu)件的形狀稍有變化，就需要重新制備模具或需要對(duì)試樣進(jìn)行機(jī)械加工，因而加大了制備成本。由于受到模具的限制上述方法常用來制備形狀簡單的構(gòu)件。
[0003]隨著現(xiàn)代化工業(yè)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)加工工藝已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代工業(yè)部件的加工需求，一些異形結(jié)構(gòu)用傳統(tǒng)的加工工藝難以制造，甚至根本無法制造。隨后，3D打印機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。三維打印(Three Dimons1n Printing,簡稱3DP)是一種快速成型技術(shù)，可將計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的三維模型數(shù)據(jù)分為層片模型數(shù)據(jù)，將特定原材料一層一層堆積成型直至完成整個(gè)實(shí)體的構(gòu)建。3DP成型具有成本低、工作過程無污染、成型速度快等優(yōu)點(diǎn)。
[0004]3D打印(3D Printing)作為快速成型領(lǐng)域的一種新興的技術(shù)，現(xiàn)在已經(jīng)成為迅猛發(fā)展的潮流[1]。近段時(shí)間，3D打印這一技術(shù)吸引了社會(huì)公眾和國內(nèi)外的新聞媒體的熱切關(guān)注。3D打印快速成型技術(shù)未來發(fā)展將會(huì)使大規(guī)模個(gè)性化生產(chǎn)成為可能，這樣將會(huì)帶來全球制造業(yè)經(jīng)濟(jì)的重大變革。
[0005]3D打印技術(shù)有3DP技術(shù)、FDM熔融層積成型技術(shù)、SLA立體平版印刷技術(shù)、SLS選區(qū)激光燒結(jié)、DLP激光成型技術(shù)和UV紫外線成型技術(shù)，技術(shù)不同所用材料則完全不同，與我們普通人和家庭所應(yīng)用的最為普遍的是FDM3D打印技術(shù)，這種技術(shù)可以進(jìn)入到家庭，操作簡單，所用材料普遍易得，這種技術(shù)打印出產(chǎn)品也接近我們的生活用品，所用的材料主要是環(huán)保高分子材料，如:PLA、PCL PHA PBS PA ABS PC PS POM PVC，因?yàn)檫@種技術(shù)是一般是在桌面上打印，熔融的高分子材料所產(chǎn)生的氣味或是分解產(chǎn)生有害物質(zhì)直接與我們的人接觸，容易造成安全問題。工業(yè)零件等需要有一定強(qiáng)度功能的制件可以選擇相適應(yīng)的材料。
[0006]在現(xiàn)有的成型材料領(lǐng)域中，由于SLS快速成型技術(shù)具有原料來源多樣和零件的構(gòu)建時(shí)間較短等優(yōu)點(diǎn)，故在快速成型領(lǐng)域有著較廣泛的應(yīng)用。中國發(fā)明專利CN1379061A中公開了一種用于激光燒結(jié)成型制品的尼龍粉末材料，通過化學(xué)合成和工藝的改進(jìn)，對(duì)尼龍粉末材料的表面進(jìn)行處理，得到了燒結(jié)性能優(yōu)良，成型制品強(qiáng)度高，韌性好的產(chǎn)品，簡化了激光燒結(jié)尼龍材料的制備工藝，降低了成本。但SLS工藝存在著諸多不足嚴(yán)重限制了 SLS的進(jìn)一步應(yīng)用和普及；從而也使基于SLS工藝成型材料使用受到限制。
[0007]3DP工藝與SLS工藝類似，均采用粉末材料選區(qū)成型，所不同的是3DP工藝的粉末材料不是通過激光的層層燒結(jié)連接起來的，而是在噴頭的作用下，用粘接劑(如硅膠)將零件的截面信息“印刷”在粉末材料上面。由于3DP是通過噴頭噴灑粘接劑成型，避免了使用激光等復(fù)雜昂貴的燒結(jié)設(shè)備的使用成本，利于快速成型技術(shù)的使用和推廣。中國發(fā)明專利CN102093646 B中公開了一種用于三維打印快速成型材料的制備方法，是將粉末材料進(jìn)行一系列的改性得到改性粉末材料A，使用時(shí)改性粉末材料A與粘接劑B配用。
[0008]由于3DP快速成型材料粉末的粒徑較大，使薄壁零件不易成型，微小零件的成型精度不夠高，表面存在較明顯的粗糙感；此外，由于粘結(jié)劑不夠牢固，存在著成型件強(qiáng)度低等不足。此外，當(dāng)前市場(chǎng)上所售的3DP工藝成型材料基本被國外公司所壟斷，售價(jià)高，嚴(yán)重制約3DP成型技術(shù)在我國的推廣和普及。
[0009]本發(fā)明通過對(duì)納米碳化硅材料進(jìn)行表面分散改性，得到快速成型納米碳化硅材料，而且粒徑均一的粉末材料；從納米碳化硅材料改性的配方入手，得到的快速成型納米碳化硅材料在一定的溫度和壓力下可直接成型，不需要噴灑粘接劑，大大簡化才做程序。所得到產(chǎn)品不僅強(qiáng)度高，也使薄壁微小零件的成型在3DP快速成型機(jī)上的實(shí)現(xiàn)成為可能；此外，本專利提供的方法簡單，成本低。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0010]本發(fā)明的目是提供一種三D打印快速成型納米碳化硅材料的制備方法，快速成型納米碳化硅不需要噴灑粘結(jié)劑可直接成型；
本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)。
[0011]一種三D打印快速成型納米碳化硅材料的制備方法，特征在于該方法具有以下工藝步驟:
(1)納米碳化硅預(yù)處理:在研磨機(jī)中，按質(zhì)量百分濃度加入59Γ15%的3-氨基丙基三乙氧基硅烷，加入859Γ95%的納米碳化硅，各組分之和為百分之百，開啟研磨機(jī)轉(zhuǎn)速在400^800轉(zhuǎn)/分鐘，室溫研磨2飛h，得到預(yù)處理納米碳化硅；
(2)快速成型納米碳化硅材料的制備:在反應(yīng)器中，按質(zhì)量百分濃度加入609Γ75%無水乙醇，加入20°/Γ35%的預(yù)處理納米碳化硅，在冰浴下，超聲反應(yīng)4-6 h，再加入2°/Γ?Ο%的二酚基丙烷縮水甘油醚，各組分之和為百分之百，攪拌混合均勻，置于50±3°C恒溫、強(qiáng)力攪拌、回流反應(yīng)8?14 h，然后噴霧干燥，得到快速成型納米碳化硅材料，所得到的快速成型納米碳化硅材料的粒徑在5(Tl00nm范圍內(nèi)。
[0012]在步驟(1)中所述的納米碳化娃材料的粒徑小于lOOnm ；
在步驟(1)中所述的3-氨基丙基三乙氧基硅烷與納米碳化硅質(zhì)量比1:1廣15為最優(yōu)； 在步驟(2)中所述的預(yù)處理納米碳化硅與無水乙醇的質(zhì)量比1:2.5^3為最優(yōu)；
在步驟(2)中所述的二酚基丙烷縮水甘油醚與無水乙醇質(zhì)量比1:14?18為最優(yōu)； 在步驟(2)中所述的噴霧干燥，進(jìn)風(fēng)溫度控制在8(Tl00°C范圍內(nèi)。
[0013]本發(fā)明所述的顆粒度測(cè)試方法是采用激光粒度儀測(cè)得的粒度當(dāng)量直徑尺寸。
[0014]本發(fā)明的另一目的是提供一種用于三維打印快速成型納米碳化硅材料在三維打印機(jī)上成型的應(yīng)用，其特點(diǎn)為:取快速成型納米碳化硅材料置于三維打印快速成型機(jī)上，在鋪展均勻的快速成型納米碳化硅材料的水平平面X和Y方向上(X和Y方向分別代表水平面的橫向和縱向)，然后在平面豎直Z方向上下降一定高度。再對(duì)下一層進(jìn)行快速成型納米碳化硅材料的鋪展，如此重復(fù)，全部加料完成后，溫度升到153?159°C范圍內(nèi)，壓力在IMPa?lOMPa的范圍內(nèi)可直接成型。
[0015]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)比較，具有如下優(yōu)點(diǎn)及有益效果:
(1)本發(fā)明獲得快速成型納米碳化硅材料，不需要噴灑粘結(jié)劑、固化劑，在加熱153?159°C，壓力在IMPa?lOMPa的范圍內(nèi)可直接成型。
[0016](2)本發(fā)明獲得快速成型納米碳化硅材料，顆?？蛇_(dá)到納米級(jí)，具有中位徑粒小，粒度分布范圍窄的特點(diǎn)，性質(zhì)穩(wěn)定；由這種快速成型納米碳化硅材料可以制造薄壁模型或微小零部件，制造出產(chǎn)品具有表面光澤度高，強(qiáng)度好，精度高等特點(diǎn)。
[0017](3)本發(fā)明獲得快速成型納米碳化硅材料，具有制備工藝簡單，條件易于控制，生產(chǎn)成本低，易于工業(yè)化生產(chǎn)。
[0018](4)本發(fā)明獲得快速成型納米碳化硅材料，能夠有效的在三維打印機(jī)上快速成型，可應(yīng)用于多種不同型號(hào)的三維打印機(jī)。
【具體實(shí)施方式】
[0019]實(shí)施例1
(1)納米碳化硅預(yù)處理:在研磨機(jī)中，分別加入10mL的3-氨基丙基三乙氧基硅烷，90g的納米碳化硅，開啟研磨機(jī)轉(zhuǎn)速在600轉(zhuǎn)/分鐘，室溫研磨4 h，得到預(yù)處理納米碳化硅；
(2)快速成型納米碳化硅材料的制備:在反應(yīng)器中，分別加入85mL無水乙醇，29g預(yù)處理納米碳化硅，在冰浴下，超聲反應(yīng)5h，再加入4mL的二酚基丙烷縮水甘油醚，攪拌混合均勻，置于50±3°C恒溫、強(qiáng)力攪拌、回流反應(yīng)12 h，然后噴霧干燥，得到快速成型納米碳化硅材料。
[0020]實(shí)施例2
(1)納米碳化硅預(yù)處理:在研磨機(jī)中，分別加入5mL的3-氨基丙基三乙氧基硅烷，95g的納米碳化硅，開啟研磨機(jī)轉(zhuǎn)速在500轉(zhuǎn)/分鐘，室溫研磨4 h，得到預(yù)處理納米碳化硅；
(2)快速成型納米碳化硅材料的制備:在反應(yīng)器中，分別加入76mL無水乙醇，33g預(yù)處理納米碳化硅，在冰浴下，超聲反應(yīng)4h，再加入7mL的二酚基丙烷縮水甘油醚，攪拌混合均勻，置于50±3°C恒溫、強(qiáng)力攪拌、回流反應(yīng)8 h，然后噴霧干燥，得到快速成型納米碳化硅材料。
[0021]實(shí)施例3
(1)納米碳化硅預(yù)處理:在研磨機(jī)中，分別加入15mL的3-氨基丙基三乙氧基硅烷，85g的納米碳化硅，開啟研磨機(jī)轉(zhuǎn)速在8600轉(zhuǎn)/分鐘，室溫研磨6 h，得到預(yù)處理納米碳化硅；
(2)快速成型納米碳化硅材料的制備:在反應(yīng)器中，分別加入95mL無水乙醇，20g預(yù)處理納米碳化硅，在冰浴下，超聲反應(yīng)6h，再加入5mL的二酚基丙烷縮水甘油醚，攪拌混合均勻，置于50±3°C恒溫、強(qiáng)力攪拌、回流反應(yīng)10 h，然后噴霧干燥，得到快速成型納米碳化硅材料。
[0022]實(shí)施例4
(1)納米碳化硅預(yù)處理:在研磨機(jī)中，分別加入7mL的3-氨基丙基三乙氧基硅烷，93g的納米碳化硅，開啟研磨機(jī)轉(zhuǎn)速在400轉(zhuǎn)/分鐘，室溫研磨6h，得到預(yù)處理納米碳化硅；
(2)快速成型納米碳化硅材料的制備:在反應(yīng)器中，分別加入90mL無水乙醇，21g預(yù)處理納米碳化硅，在冰浴下，超聲反應(yīng)5h，再加入8mL的二酚基丙烷縮水甘油醚，攪拌混合均勻，置于50±3°C恒溫、強(qiáng)力攪拌、回流反應(yīng)14 h，然后噴霧干燥，得到快速成型納米碳化硅材料。
[0023]實(shí)施例5
(1)納米碳化硅預(yù)處理:在研磨機(jī)中，分別加入6mL的3-氨基丙基三乙氧基硅烷，94g的納米碳化硅，開啟研磨機(jī)轉(zhuǎn)速在700轉(zhuǎn)/分鐘，室溫研磨5 h，得到預(yù)處理納米碳化硅；
(2)快速成型納米碳化硅材料的制備:在反應(yīng)器中，分別加入88mL無水乙醇，28g預(yù)處理納米碳化硅，在冰浴下，超聲反應(yīng)5.5h，再加入3mL的二酚基丙烷縮水甘油醚，攪拌混合均勻，置于50±3°C恒溫、強(qiáng)力攪拌、回流反應(yīng)11 h，然后噴霧干燥，得到快速成型納米碳化硅材料。
[0024]實(shí)施例6
(1)納米碳化硅預(yù)處理:在研磨機(jī)中，分別加入8mL的3-氨基丙基三乙氧基硅烷，92g的納米碳化硅，開啟研磨機(jī)轉(zhuǎn)速在600轉(zhuǎn)/分鐘，室溫研磨4 h，得到預(yù)處理納米碳化硅；
(2)快速成型納米碳化硅材料的制備:在反應(yīng)器中，分別加入89mL無水乙醇，25g預(yù)處理納米碳化硅，在冰浴下，超聲反應(yīng)5h，再加入5mL的二酚基丙烷縮水甘油醚，攪拌混合均勻，置于50±3°C恒溫、強(qiáng)力攪拌、回流反應(yīng)12 h，然后噴霧干燥，得到快速成型納米碳化硅材料。
[0025]使用方法:取實(shí)施例中合成的快速成型納米碳化硅材料置于三維打印快速成型機(jī)上，在鋪展均勻的快速成型納米碳化硅材料的水平平面X和Y方向上(X和Y方向分別代表水平面的橫向和縱向)，然后在平面豎直Z方向上下降一定高度。再對(duì)下一層進(jìn)行快速成型納米碳化硅材的鋪展，如此重復(fù)，全部加料完成后，溫度升到153?159°C范圍內(nèi)，壓力在lMPa^lOMPa的范圍內(nèi)可直接成型。得到的產(chǎn)品有較高的抗壓性、光澤度好。
【權(quán)利要求】
1.一種三D打印快速成型納米碳化硅材料的制備方法，其特征在于，該方法具有以下工藝步驟: (O納米碳化硅預(yù)處理:在研磨機(jī)中，按質(zhì)量百分濃度加入59Γ15%的3-氨基丙基三乙氧基硅烷，加入859Γ95%的納米碳化硅，各組分之和為百分之百，開啟研磨機(jī)轉(zhuǎn)速在400^800轉(zhuǎn)/分鐘，室溫研磨2飛h，得到預(yù)處理納米碳化硅； (2)快速成型納米碳化硅材料的制備:在反應(yīng)器中，按質(zhì)量百分濃度加入609Γ75%無水乙醇，加入20°/Γ35%的預(yù)處理納米碳化硅，在冰浴下，超聲反應(yīng)4-6 h，再加入2°/Γ?Ο%的二酚基丙烷縮水甘油醚，各組分之和為百分之百，攪拌混合均勻，置于50±3°C恒溫、強(qiáng)力攪拌、回流反應(yīng)8?14 h，然后噴霧干燥，得到快速成型納米碳化硅材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種三D打印快速成型納米碳化硅材料的制備方法，其特征是:在步驟(I)中所述的納米碳化娃材料的粒徑小于lOOnm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種三D打印快速成型納米碳化硅材料的制備方法，其特征是:在步驟(I)中所述的3-氨基丙基三乙氧基硅烷與納米碳化硅質(zhì)量比1:1廣15為最優(yōu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種三D打印快速成型納米碳化硅材料的制備方法，其特征是:在步驟(2)中所述的預(yù)處理納米碳化硅與無水乙醇的質(zhì)量比1:2.5^3為最優(yōu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種三D打印快速成型納米碳化硅材料的制備方法，其特征是:在步驟(2)中所述的二酚基丙烷縮水甘油醚與無水乙醇質(zhì)量比1:14?18為最優(yōu)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種三D打印快速成型納米碳化硅材料的制備方法，其特征是:在步驟(2)中所述的噴霧干燥，進(jìn)風(fēng)溫度控制在8(Tl20°C范圍內(nèi)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種三D打印快速成型納米碳化硅材料的制備方法，其特征是:所述的快速成型納米碳化娃材料的粒徑在5(Tl00nm范圍內(nèi)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種三D打印快速成型納米碳化硅材料的制備方法，其特征是:在步驟(2)中所述的噴霧干燥，進(jìn)風(fēng)溫度控制在8(Tl00°C范圍內(nèi)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種三D打印快速成型納米碳化硅材料的制備方法，其特征是:所制備的快速成型納米碳化硅材料在三D打印機(jī)上成型的溫度在153?159°C范圍內(nèi)，壓力在IMPa?1MPa的范圍內(nèi)。
【文檔編號(hào)】C04B35/565GK104291338SQ201410457695
【公開日】2015年1月21日 申請(qǐng)日期:2014年9月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月10日
【發(fā)明者】李慧芝, 張培志, 許崇娟 申請(qǐng)人:濟(jì)南大學(xué)